JP4183849B2

JP4183849B2 - Optical measuring device

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Publication number: JP4183849B2
Application number: JP16984199A
Authority: JP
Inventors: 本比呂須山; 克彦河合; 哲家森田; 弘一郎大庭
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2019-06-16
Also published as: JP2001004445A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射する光束の光量を計測する光計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばシンチレータから発せられる蛍光のような微弱な光を計測する計測装置として、入射した光束の光量に応じた光電子を放出させ、当該光電子数を計数することによって入射した光束の光量を計測する光計測装置が知られている。かかる光計測装置は、光検出素子である光電子増倍管と、光電子増倍管からの出力信号を基準値と比較する比較器と、比較器からの出力を計数するカウンタとを主として備えて構成される。光電子増倍管に光束が入射すると、光電子増倍管の光電面から当該光束の光量に応じた光電子が順次放出され、当該光電子に対応した出力信号が出力される。光電子増倍管からの出力信号は、比較器によって、常に基準値と比較される。ここで、光電子増倍管に光束が入射していない場合は光電子が放出されないため、光電子増倍管からの出力信号が基準値を超えず、比較器からは論理値０が出力される。一方、光電子増倍管に光束が入射して１つの光電子が放出された場合は、光電子増倍管からの出力信号が基準値を超え、比較器からは論理値１が出力される。従って、カウンタにより、比較器からの出力を計数することで、放出された光電子数を計数することができ、入射した光束の光量を計測することが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術にかかる光計測装置には、以下に示すような問題点があった。すなわち、上記従来技術にかかる光計測装置においては、複数の光電子が極めて短い時間間隔を持って放出された場合に、複数の光電子を分離して検出することができず、１つの光電子が放出されたものとして計数を行ってしまう。従って、入射する光束の光量が小さく、放出される光電子が少ない範囲においては実用に耐えるが、入射する光束の光量が大きくなり、放出される光電子数が多くなるに従って、光電子の数え落としが大きくなる。
【０００４】
ここで、光電子の数え落とし率ξは、光電子増倍管のパルスペア分解能τ（ｓ）、真のカウントレートｎ（１／ｓ）を用いて、
【数１】

と表される。従って、光電子増倍管のパルスペア分解能τが８ｎｓの場合、真のカウントレートｎが１０ＭＣＰＳ(Mega Count Per Second)のときで７％、ｎが２０ＭＣＰＳのときで１４％、ｎが５０ＭＣＰＳのときで２９％の数え落としがそれぞれ発生する。
【０００５】
さらに、上記従来技術にかかる光計測装置においては、同時に２つ、３つ等複数の光電子が放出された場合であっても、１つの光電子が放出されたものとして計数を行ってしまうため、同時に複数の光電子が放出される場合は光電子数を正確に計数することができず、入射する光束の光量を正確に計測することができない。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、入射する光束の光量を正確に計測することができる光計測装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光計測装置は、入射する光束の光量に応じた光電子を放出し、該光電子の数に応じた出力信号を出力する光検出手段と、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の継続時間よりも小さい周期を有する周期信号を生成する周期信号生成手段と、上記周期信号生成手段によって生成された上記周期信号に基づいて上記光検出手段から出力された上記出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、上記Ａ／Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換された上記出力信号を加算する加算手段と、上記加算手段によって加算された上記Ａ／Ｄ変換手段の上記出力信号の加算値ｍ、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の継続時間Ｔｏと上記周期信号生成手段の周期信号の周期Ｔｓとの比ｓ＝Ｔｏ／Ｔｓ、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の最大値Ｖｏと上記Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅Ｖｃとの比ｒ＝Ｖｏ／Ｖｃ、及び、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号が上記光検出手段の出力信号の継続時間Ｔｏに対してＶｏ／２以上となる時間ｋに基づいて下記式
ｑ＝ｍ／（ｋ×ｓ×ｒ）
を用いて上記光検出手段に入射した光子数ｑを計数し、上記光検出手段に入射した光束の光量を算出する光量算出手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
放出された光電子の数に応じた出力信号を光子検出手段から出力し、当該出力信号をＡ／Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換することで、入射した光束の光量に応じた出力信号をＡ／Ｄ変換手段から出力することが可能となる。従って、入射した光束の光量が大きくなり、同時に複数の光電子が放出された場合であっても、複数個の光電子が放出されたものとして計数を行うことができる。また、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも小さい周期でＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換された出力信号の加算値ｍ、１つの光電子が放出された場合に光検出手段から出力される出力信号の継続時間Ｔｏと周期信号生成手段の周期信号の周期Ｔｓとの比ｓ＝Ｔｏ／Ｔｓ、１つの光電子が放出された場合に光検出手段から出力される出力信号の最大値ＶｏとＡ／Ｄ変換手段のチャネル幅Ｖｃとの比ｒ＝Ｖｏ／Ｖｃ、及び、１つの光電子が放出された場合に光検出手段から出力される出力信号が光検出手段の出力信号の継続時間Ｔｏに対してＶｏ／２以上となる時間ｋに基づいて上記式を用いて光電子数を計数することで、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも短い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確率が高まる。
【０００９】
また、本発明の光計測装置においては、上記光検出手段は、真空気密された容器と、上記容器内に配置され、入射する光束の光量に応じた光電子を放出する光電面と、上記光電面から放出された上記光電子を加速する加速手段と、上記容器内に配置され、上記加速手段によって加速された上記光電子を入射させ、該光電子の数に応じた出力信号を出力する半導体検出器とを備えたことを特徴としてもよい。
【００１０】
上記光電面、加速手段及び半導体検出器を備えた光子検出手段を用いることで、同時に、あるいは極めて近い時間間隔をもって放出される光電子数を効果的に検出することができる。
【００１１】
また、本発明の光計測装置においては、上記半導体検出器は、アバランシェフォトダイオードであることを特徴とすることが好適である。
【００１２】
また、本発明の光計測装置においては、上記周期信号生成手段は、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の継続時間の１／２以下の周期を有する周期信号を生成することを特徴としてもよい。
【００１３】
上記周期信号を、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間の１／２よりも小さくすることで、短い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確率がさらに高まる。
【００１４】
また、本発明の光計測装置においては、上記Ａ／Ｄ変換手段は、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の最大値と略等しいチャネル幅を有することを特徴としてもよい。
【００１５】
Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値と略等しくすることで、放出された光電子数をそのままＡ／Ｄ変換手段の出力値とすることが可能となる。
【００１６】
また、本発明の光計測装置においては、上記Ａ／Ｄ変換手段は、１つの光電子が放出された場合に上記光子検出手段から出力される出力信号の最大値よりも小さいチャネル幅を有することを特徴としてもよい。
【００１７】
Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値よりも小さくすることで、放出された光電子数を精度よく検出することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る光計測装置について、図面を参照して説明する。まず、本実施形態に係る光計測装置の構成について説明する。図１は本実施形態に係る光計測装置の構成図である。
【００１９】
本実施形態にかかる光計測装置１０は、光子検出部１２（光子検出手段）、タイミング信号発生回路１４（周期信号生成手段）、Ａ／Ｄ変換器１６（Ａ／Ｄ変換手段）、加算器１８（加算手段）、ＣＰＵ２０（計数手段）、表示部２２及びメモリ２３を備えて構成される。以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００２０】
光子検出部１２は、ハイブリッドフォトディテクタ（以下、ＨＰＤ２４という）とトランスインピーダンスアンプ（以下、ＴＺアンプ２６という）とを備えて構成され、入射した光子数（入力した光束の光量に対応する）に応じた出力信号を出力する。
【００２１】
ＨＰＤ２４は、入射する光子の数に応じた光電子を放出する光電面２４ａと光電面２４ａから放出された光電子の数に応じた出力信号を出力する半導体検出器であるアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ２４ｂという）とを、真空筐体２４ｃ内に対向配置して構成されている。ここで、光電面２４ａには、高圧電源２４ｄ（加速手段）によって負の高電圧（例えば−８ｋＶ）が印加されており、ＡＰＤ２４ｂのアノード−カソード間には、バイアス回路２４ｅによって逆バイアス電圧（例えば＋１５０Ｖ）が印加されている。また、ＨＰＤ２４には、図示しない電子レンズ部が設けられており、光電面２４ａから放出された光電子を効率よくＡＰＤ２４ｂに入射させることができるようになっている。
【００２２】
以下、説明を簡略化するため、光電面２４ａの量子効率（光子から光電子への変換効率）を１００％とし、光子が１つ入射すれば、光電面２４ａから光電子が１つ放出されるとして説明する。
【００２３】
光電面２４ａに光子が入射すると、光電面２４ａからは入射した光子の数に応じた光電子が放出される。かかる光電子は電界の作用によって加速され、電子レンズ部の作用によって収束されてＡＰＤ２４ｂに入射する。ＡＰＤ２４ｂに入射した光電子は、そのエネルギーを失う際に多数の正孔−電子対を生成し、これが初段の増倍率になる。初段の増倍率は、電子の加速電圧（光電面に印加した電圧）に依存し、かかる電圧が−８ｋＶの場合で約１２００となる。その後、電子はさらに５０倍程度にアバランシェ増倍する。その結果、ＡＰＤ２４ｂ全体で約６００００倍のゲインが得られる。ここで、初段の増倍率が約１２００と極めて大きいことから、ＡＰＤ２４ｂを用いたＨＰＤ２４の増倍ゆらぎは極めて小さい。従って、ＨＰＤ２４を用いることにより、図２に示すマルチフォトンに対する出力波高分布図からわかるように、入射した光子がいくつであるかを区別して検出することができる。ここで、図２は、光電面２４ａの印加電圧を−８ｋＶ、ＡＰＤ２４ｂの逆バイアス電圧を＋１５０Ｖとし、オルテック社の型番１４２Ａのプリアンプを用いて測定した結果である。また、ＨＰＤ２４のゲインが約６００００となることと、ＨＰＤ２４からの１電子に対応する出力波形の半値幅（ＦＷＨＭ）が約６ｎｓとなることを考慮すると、ＨＰＤ２４から出力される電流のピーク値は、１光子あたり約２．０μＡとなる。
【００２４】
ＴＺアンプ２６は、ＨＰＤ２４のＡＰＤ２４ｂから出力された電流信号を増幅するとともに、電圧に変換して出力する電流電圧変換回路である。かかるＴＺアンプ２６としては、１μＡを５０ｍＶ程度に増幅する増幅率を有し、３００ＭＨｚ程度の帯域を有することが好ましく、例えばＭｉｔｅｑ社のＡＵ−１４９４−３００（商品名）等が好適である。
【００２５】
ここで、上記増幅率により、ＴＺアンプ２６から出力される電圧のピーク値Ｖｏは、１光子あたり約０．１Ｖとなる。また、ＴＺアンプ２６から出力される出力信号の波形は、ＡＰＤ２４ｂの応答波形に依存する。ここで、例えば有効径が３ｍｍのＡＰＤ２４ｂを用いると、出力信号は、ライズタイムが１ｎｓ、フォールタイムが１３ｎｓの波形となる。すなわち、１つの光子が入射した場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号の継続時間Ｔｏは１４ｎｓとなる。
【００２６】
タイミング信号発生回路１４は、上記ＨＰＤ２４に１つの光子が入射して光電面２４ａから１つの光電子が放出された場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号の継続時間Ｔｏよりも小さい周期Ｔｓを有する周期信号であるタイミング信号を生成する。より詳細には、１つの光子が入射した場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号は図３（ａ）に示すような波形となっており、その継続時間Ｔｏは１４ｎｓである。ここで、タイミング信号発生回路１４は、図３（ｂ）に示すように、周期Ｔｓが３．５ｎｓ（上記継続時間Ｔｏの１／４）のパルス信号であるタイミング信号を生成する。また、タイミング信号発生回路１４は、生成したタイミング信号をＡ／Ｄ変換器１６に対して出力する。
【００２７】
Ａ／Ｄ変換器１６は、タイミング信号発生回路１４からのタイミング信号をトリガとして、ＴＺアンプ２６から出力される出力信号をＡ／Ｄ変換する。ここで、Ａ／Ｄ変換器１６は、１つの光子が入射して１つの光電子が放出された場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号の最大値Ｖｏ（０．１Ｖ）と略等しいチャネル幅Ｖｃを有するように、分解能が調節されている。すなわち、入力レンジ（０〜０．４Ｖ）を４階調に分割し、入力電圧が０．０５Ｖ以下の場合はデジタル値”０”、０．０５Ｖ〜０．１５Ｖ（チャネル幅０．１Ｖ）の場合はデジタル値”１”、入力電圧が０．１５Ｖ〜０．２５Ｖ（チャネル幅０．１Ｖ）の場合はデジタル値”２”、入力電圧が０．２５Ｖ〜０．３５Ｖ（チャネル幅０．１Ｖ）の場合はデジタル値”３”を出力する。分解能をこのように調節することで、ＨＰＤ２４に光子が入射していない場合はデジタル値”０”、ＨＰＤ２４に１つの光子が入射した場合はデジタル値”１”、２つの光子が入射したときはデジタル値”２”、３つの光子が入射したときはデジタル値”３”がそれぞれＡ／Ｄ変換器１６から出力される。
【００２８】
加算器１８は、Ａ／Ｄ変換器１６から出力された出力信号を加算し、その加算値ｍをＣＰＵ２０に対して出力する。
【００２９】
ＣＰＵ２０は、加算器から出力された上記加算値ｍに基づいて、ＨＰＤ２４に入射した光子数を計数する。より詳細には、光子数ｑは、上記出力信号の継続時間Ｔｏと上記タイミング信号の周期Ｔｓとの比ｓ（＝Ｔｏ／Ｔｓ）、上記出力信号の最大値Ｖｏと上記チャネル幅Ｖｃとの比ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）、上記加算値ｍを用いて、
【数２】

と表される。ここでｋは、継続時間Ｔｏに対して上記出力信号がＶｏ／２以上となる時間を表しており、例えば上記出力信号が三角波である場合はｋ＝０．５、指数関数的に減少する波形である場合はｋ＝０．３１となる。ＣＰＵ２０はまた、装置全体の制御を行う。
【００３０】
また、表示部２２には光子数の計数結果等が表示され、また、メモリ２３には種々の設定値、光子数の計数結果等が格納される。
【００３１】
続いて、本実施形態にかかる光計測装置の動作及び作用について説明する。ここでは簡単のため、ＨＰＤ２４に１つの光子が入射した場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号を、ライズタイムが０ｎｓ、フォールタイムが１４ｎｓ、継続時間Ｔｏが１４ｎｓ、最大値Ｖｏが０．１Ｖの三角波として考える。
【００３２】
まず図４（ａ）に示すように、ＨＰＤ２４に１つの光子が入射した場合、ＴＺアンプ２６からの出力信号は、図４（ｂ）に示すような三角波となる。尚、図４（ｂ）の縦軸のＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３はそれぞれ、Ａ／Ｄ変換器１６がデジタル値”１”、”２”、”３”を出力するためのしきい値であり、それぞれ０．０５Ｖ、０．１５Ｖ、０．２５Ｖとなっている。
【００３３】
ＴＺアンプ２６から出力された出力信号は、Ａ／Ｄ変換器１６によってＡ／Ｄ変換され、加算器１８によって加算される。ここで、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号（出力値及び出力タイミング）は、ＴＺアンプ２６から出力された出力信号とタイミング信号発生回路１４から出力されるタイミング信号との位相関係によって、例えば図４（ｃ）のＣａｓｅ１あるいはＣａｓｅ２等のように変化する。ただし、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２いずれの場合であっても、加算器１８によって加算された加算値ｍは２となる。
【００３４】
加算器１８から出力された加算値はＣＰＵ２０に入力され、ＣＰＵ２０によって入射した光子数が計数される。この場合、ｋ＝０．５、ｓ（＝Ｔｏ／Ｔｓ）＝４、ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）＝１であることから式（２）より、入射した光子数ｑが１であることが検出される。
【００３５】
また、図５（ａ）に示すように、ＨＰＤ２４に同時に２つの光子が入射した場合は、ＴＺアンプ２６から出力信号は図５（ｂ）に示すような三角波（最大値０．２Ｖ）となり、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号は、例えば図５（ｃ）のＣａｓｅ１あるいはＣａｓｅ２等のようになる。ただし、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２いずれの場合であっても、加算器１８によって加算された加算値ｍは４となる。この場合、式（２）より、入射した光子数ｑが２であることがＣＰＵ２０によって検出される。
【００３６】
また、図６（ａ）に示すように、ＨＰＤ２４に極めて近い時間間隔をもって４つの光子が入射した場合は、ＴＺアンプ２６から出力信号は図６（ｂ）に示すように、一定の時間遅れを有する４つの三角波の合成波となり、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号は、例えば図６（ｃ）のＣａｓｅ１あるいはＣａｓｅ２等のようになる。ここで、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号がＣａｓｅ１の場合は、加算器１８によって加算される加算値ｍが７となり、Ｃａｓｅ２の場合は１０となる。従って、ＣＰＵ２０によって計数される光子数ｑは、Ｃａｓｅ１の場合で３．５、Ｃａｓｅ２の場合で５となる（真値は４）。
【００３７】
ここで、本実施形態にかかる光計測装置１０における光子の計数誤差の評価を行う。まず、Ａ／Ｄ変換によって生じる誤差（以下、Ａ／Ｄ変換誤差σ１という）は、上記出力信号の最大値Ｖｏと上記チャネル幅Ｖｃとの比ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）を用いて、
【数３】

と表される。また、上記出力信号を三角波と仮定すると、ｑ個の光子が入射した場合の計数誤差σは、上記出力信号の継続時間Ｔｏと上記タイミング信号の周期Ｔｓとの比ｓ（＝Ｔｏ／Ｔｓ）及びＡ／Ｄ変換誤差σ１とを用いて、
【数４】

と表される。
【００３８】
例えば、入射する光子の数ｑを１００００個とし、上記ｓ及びｒを種々に変化させた場合の計数誤差σを図７に示す。入射する光子の数ｑが１００００個である場合は、光子数の量子的なゆらぎが１００個（１００００の平方根）となり、量子的なゆらぎによる誤差は０．０１（＝１００／１００００）である。一方、本実施形態にかかる光計測装置１０は、図７に示すように、ｓ、ｒが１以上の範囲にあっては、計数誤差σが光子数の量子的なゆらぎによる誤差である０．０１（＝１００／１００００）よりも十分小さくなることがわかる。これは、光計測装置１０により、必要な計測精度が得られることを意味している。また、本実施形態にかかる光計測装置１０は、ｓ、ｒを大きくすることでさらに計数誤差σを小さくすることが可能となる。
【００３９】
さらに、本実施形態にかかる光計測装置１０のダイナミックレンジの評価を行う。一般に光計測装置のダイナミックレンジは、Ａ／Ｄ変換器の変換能力（Ａ／Ｄ変換器の階調、すなわち、所定時間（ほぼパルスペア分解能以内）に入射した光子数をいくつまでＡ／Ｄ変換できるか）によって決まる。ここで、パルスペア分解能τを１０ｎｓとした場合の、真のカウントレートｎと数え落とし率ξとの関係を図８に示す。図８中、「従来型」と示されているのは、光電子増倍管の出力を常に基準値と比較して基準値を超えた回数を計数する従来型の光計測装置についての関係であり、「ｄ＝４」と示されているのは、本実施形態にかかる光計測装置であって、ｓ＝４、Ａ／Ｄ変換器の階調ｄ＝４（２ビット）であるものの関係であり、「ｄ＝８」と示されているのは、本実施形態にかかる光計測装置であって、ｓ＝４、Ａ／Ｄ変換器の階調ｄ＝８（３ビット）であるものの関係である。
【００４０】
ここで、数え落とし率ξを５％以下とするためには、「従来型」の光計測装置においては、真のカウントレートｎを４×１０⁶（１／ｓ）程度に抑えなければならず、すなわち、ダイナミックレンジは４×１０⁶（１／ｓ）程度となる。これに対して、「ｄ＝４」、「ｄ＝８」の本実施形態にかかる光計測装置１０のダイナミックレンジはそれぞれ１×１０⁸（１／ｓ）程度、３×１０⁸（１／ｓ）程度となり、極めて広い（「従来型」と比較して２桁大きい）ダイナミックレンジを確保することが可能となる。
【００４１】
尚、実際の計測において、Ａ／Ｄ変換器１６の変換能力を越える数の光子が入射することがあらかじめわかっている場合、あるいは、計測の結果、Ａ／Ｄ変換器１６の変換能力を越える数の光子が入射したことがわかった場合、ダイナミックレンジを広げるためには、ＴＺアンプ２６のゲインを下げることが効果的である。この場合、上記出力信号の最大値Ｖｏと上記チャネル幅Ｖｃとの比ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）が小さくなるので、図４に示すように計数誤差は大きくなるものの、ＨＰＤ２４における入出力関係の線形性が確保される限度まで光計測装置１０のダイナミックレンジを大きくすることが可能となる。ここで、ＨＰＤ２４においては、出力電流が１００μＡ以上まで上記線形性が確保されるので、１×１０¹⁰（１／ｓ）程度まで光計測装置１０ダイナミックレンジを広げることが可能となる。
【００４２】
更に、入射光子数が光計測装置１０のダイナミックレンジの上限を越える場合は、精度の高い計数を行うためには、ＨＰＤ２４のゲインを下げることも有効である。ＨＰＤ２４のゲインは、光電面２４ａに印加する電圧、ＡＰＤ２４ｂに印加する逆バイアス電圧によって１０〜６００００の間で調整可能である。また、上述のＴＺアンプ２６のゲイン、ＨＰＤ２４のゲインは、ＣＰＵ２０から制御するものとしてもよい。
【００４３】
続いて、本実施形態にかかる光計測装置１０の効果について説明する。本実施形態にかかる光計測装置１０は、入射した光子数に応じた光電子を放出させ、当該光電子数に応じた出力信号を光子検出部１２から出力し、当該出力信号をＡ／Ｄ変換器１６によってＡ／Ｄ変換することで、放出された光電子数、すなわち入射した光子数に応じた出力信号をＡ／Ｄ変換器１６から出力することが可能となる。従って、同時に複数の光子が入射した場合であっても、複数個の光子が入射したものとして計数を行うことができる。また、１つの光子が入射して１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間Ｔｏよりも小さい周期でＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換された出力信号の加算値ｍに基づいて光子数ｑを計数することで、１つの光子が入射した場合の出力信号の継続時間Ｔｏよりも短い時間間隔を持って入射した複数の光子数の検出確率が高まる。その結果、同時に複数の光子が入射した場合や複数の光子が短い時間間隔を持って入射した場合であっても、入射した光子数を正確に計数することが可能となる。従って、例えばパルスレーザで繰り返し励起される蛍光など、１イベントに２以上の光子を含んでいる場合の光子の計数も、極めて正確に行うことが可能となり、１パルスあたりの蛍光に含まれる光子数の計数なども可能となる。さらに、複数の光子が短い時間間隔を持って入射した場合であっても、入射した光子数を正確に計数することが可能となることから、ＴＺアンプ２６、Ａ／Ｄ変換器１６に高速応答性が要求されなくなり、光計測装置１０自体を安価に構成することが可能となる。
【００４４】
また、本実施形態にかかる光計測装置１０は、ＨＰＤ２４を用いることで、同時に、あるいは極めて近い時間間隔をもって入射する光子数を効果的に検出することができる。
【００４５】
また、本実施形態にかかる光計測装置１０は、タイミング信号発生回路１４が生成するタイミング信号の周期を、１つの光子が入射して１つの光電子が放出される場合の出力信号の継続時間Ｔｏの１／４とすることで、短い時間間隔を持って入射した複数の光子数の検出確率を高めることが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態にかかる光計測装置１０は、Ａ／Ｄ変換器１６のチャネル幅を出力信号の最大値Ｖｏと略等しくすることで、入射する光子数をそのままＡ／Ｄ変換器１６の出力値とすることが可能となる。
【００４７】
上記実施形態にかかる光計測装置１０においては、タイミング信号発生回路１４が生成するタイミング信号の周期を、１つの光子が入射した場合の出力信号の継続時間Ｔｏの１／４としていたが、１／２、１／８などにしてもよい。かかるタイミング信号の周期を小さくすれば光子の計数精度が高まり、一方、タイミング信号の周期を大きくすれば、Ａ／Ｄ変換器１６、加算器１８、ＣＰＵ２０等の処理負担が軽減する。
【００４８】
また、上記実施形態にかかる光計測装置１０においては、Ａ／Ｄ変換器１６のチャネル幅を出力信号の最大値Ｖｏと略等しくしていたが、当該チャネル幅を力信号の最大値Ｖｏよりも小さくしてもよい。Ａ／Ｄ変換器１６のチャネル幅を出力信号の最大値Ｖｏよりも小さくすることで、入射する光子数を精度よく検出することが可能となる。
【００４９】
また、上記実施形態にかかる光計測装置１０においては、半導体検出器としてＡＰＤ２４ｂを用いていたが、これは、フォトダイオードなどでもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の光計測装置は、入射した光束の光量に応じた光電子を放出させ、当該光電子数に応じた出力信号を光子検出手段から出力し、当該出力信号をＡ／Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換することで、放出された光電子数に応じた出力信号をＡ／Ｄ変換手段から出力することが可能となる。従って、同時に複数の光電子が放出された場合であっても、複数個の光電子が放出されたものとして計数を行うことができる。また、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも小さい周期でＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換された出力信号の加算値に基づいて光電子数を計数することで、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも短い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確率が高まる。その結果、入射する光束の光量が大きく、同時に複数の光電子が放出される場合や複数の光電子が短い時間間隔を持って放出される場合であっても、放出される光電子数を正確に計数することでき、入射した光束の光量を正確に計測することが可能となる。
【００５１】
また、本発明の光計測装置においては、入射する光束の光量に応じた光電子を放出する光電面と、光電面から放出された光電子を加速する加速手段と、加速手段によって加速された光電子を入射させ、当該光電子の数に応じた出力信号を出力する半導体検出器とを備えた光子検出手段を用いることで、同時に、あるいは極めて近い時間間隔をもって放出される光電子数を効果的に検出することができる。
【００５２】
また、本発明の光計測装置は、周期信号生成手段によって生成する周期信号を、１つの光電子が放出される場合の出力信号の継続時間の１／２よりも小さくすることで、短い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確率を高めることが可能となる。
【００５３】
また、本発明の光計測装置においては、Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値と略等しくすることで、放出される光電子数をそのままＡ／Ｄ変換手段の出力値とすることが可能となる。
【００５４】
また、本発明の光計測装置においては、Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値よりも小さくすることで、放出される光電子数を精度よく検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光計測装置の構成図である。
【図２】出力波高分布図である。
【図３】出力信号とタイミング信号との波形を示す図である。
【図４】Ａ／Ｄ変換器の出力を示す図である。
【図５】Ａ／Ｄ変換器の出力を示す図である。
【図６】Ａ／Ｄ変換器の出力を示す図である。
【図７】計数誤差を示すグラフである。
【図８】数え落とし率を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…光計測装置、１２…光子検出部、１４…タイミング信号発生回路、１６…Ａ／Ｄ変換器、１８…加算器、２０…ＣＰＵ、２２…表示部、２３…メモリ、２４…ＨＰＤ、２６…ＴＺアンプ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical measurement device that measures the amount of incident light flux.
[0002]
[Prior art]
For example, as a measuring device that measures faint light such as fluorescence emitted from a scintillator, optical measurement that measures the amount of incident light by emitting photoelectrons according to the amount of incident light and counting the number of photoelectrons The device is known. Such an optical measuring device mainly includes a photomultiplier tube that is a photodetecting element, a comparator that compares an output signal from the photomultiplier tube with a reference value, and a counter that counts the output from the comparator. Is done. When a light beam enters the photomultiplier tube, photoelectrons corresponding to the light amount of the light beam are sequentially emitted from the photocathode of the photomultiplier tube, and an output signal corresponding to the photoelectron is output. The output signal from the photomultiplier tube is always compared with a reference value by a comparator. Here, since no photoelectrons are emitted when no light beam is incident on the photomultiplier tube, the output signal from the photomultiplier tube does not exceed the reference value, and a logical value 0 is output from the comparator. On the other hand, when a light beam enters the photomultiplier tube and one photoelectron is emitted, the output signal from the photomultiplier tube exceeds the reference value, and a logical value 1 is output from the comparator. Therefore, by counting the output from the comparator with the counter, the number of emitted photoelectrons can be counted, and the light quantity of the incident light beam can be measured.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the optical measuring device according to the above prior art has the following problems. That is, in the optical measuring device according to the above-described prior art, when a plurality of photoelectrons are emitted with an extremely short time interval, the plurality of photoelectrons cannot be separated and detected, and one photoelectron is emitted. Counts as a result. Therefore, it can withstand practical use in a range where the amount of incident light beam is small and the amount of emitted photoelectrons is small, but the number of photoelectrons increases as the amount of incident light beam increases and the number of emitted photoelectrons increases. .
[0004]
Here, the photoelectron counting rate ξ is obtained by using the photomultiplier tube pulse pair resolution τ (s) and the true count rate n (1 / s),
[Expression 1]

It is expressed. Accordingly, when the pulse pair resolution τ of the photomultiplier tube is 8 ns, 7% when the true count rate n is 10 MCPS (Mega Count Per Second), 14% when n is 20 MCPS, and 29 when n is 50 MCPS. % Countdown occurs.
[0005]
Furthermore, in the optical measuring device according to the above prior art, even if a plurality of photoelectrons such as two, three, etc. are emitted at the same time, the counting is performed as if one photoelectron was emitted. When a plurality of photoelectrons are emitted, the number of photoelectrons cannot be accurately counted, and the amount of incident light flux cannot be accurately measured.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide an optical measurement device that can accurately measure the amount of incident light flux.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, an optical measuring device of the present invention emits photoelectrons corresponding to the amount of incident light flux and outputs an output signal corresponding to the number of photoelectrons, and one photoelectron Based on the periodic signal generated by the periodic signal generating means and the periodic signal generating means for generating a periodic signal having a period smaller than the duration of the output signal output from the light detecting means when emitted. A / D conversion means for A / D converting the output signal output from the light detection means, addition means for adding the output signals A / D converted by the A / D conversion means, and addition means The added value m of the output signal of the A / D conversion means added by When one photoelectron is emitted, it is output from the light detection means. Ratio s = To / Ts between the duration To of the output signal and the period Ts of the periodic signal of the periodic signal generating means, When one photoelectron is emitted, it is output from the light detection means. A ratio r = Vo / Vc between the maximum value Vo of the output signal and the channel width Vc of the A / D conversion means, and When one photoelectron is emitted, it is output from the light detection means. Based on the time k when the output signal becomes Vo / 2 or more with respect to the duration To of the output signal of the light detection means,
q = m / (k × s × r)
And a light amount calculating means for counting the number of photons incident on the light detecting means and calculating the light amount of the light beam incident on the light detecting means.
[0008]
An output signal corresponding to the number of emitted photoelectrons is output from the photon detection means, and the output signal is A / D converted by the A / D conversion means, so that an output signal corresponding to the amount of incident light flux is A / D converted. It becomes possible to output from the D conversion means. Therefore, even when the amount of incident light flux is increased and a plurality of photoelectrons are emitted at the same time, counting can be performed assuming that a plurality of photoelectrons are emitted. Also, A / D conversion is performed with a period smaller than the duration of the output signal when one photoelectron is emitted, and the added value m of the A / D converted output signal, When one photoelectron is emitted, it is output from the light detection means. Ratio s = To / Ts between the duration To of the output signal and the period Ts of the periodic signal of the periodic signal generating means, When one photoelectron is emitted, it is output from the light detection means. The ratio r = Vo / Vc between the maximum value Vo of the output signal and the channel width Vc of the A / D conversion means, and When one photoelectron is emitted, it is output from the light detection means. The output when one photoelectron is emitted by counting the number of photoelectrons using the above formula based on the time k when the output signal becomes Vo / 2 or more with respect to the duration To of the output signal of the light detection means. The detection probability of a plurality of photoelectrons emitted with a time interval shorter than the signal duration is increased.
[0009]
In the optical measurement device of the present invention, the light detection means includes a vacuum-tight container, a photocathode arranged in the container and emitting photoelectrons according to the amount of incident light flux, and the photocathode. Accelerating means for accelerating the photoelectrons emitted from the semiconductor, and a semiconductor detector disposed in the container and made to enter the photoelectrons accelerated by the accelerating means and outputting an output signal corresponding to the number of photoelectrons. It may be characterized by having.
[0010]
By using the photon detection means including the photocathode, the acceleration means, and the semiconductor detector, the number of photoelectrons emitted at the same time or at an extremely short time interval can be detected effectively.
[0011]
In the optical measurement device of the present invention, it is preferable that the semiconductor detector is an avalanche photodiode.
[0012]
In the optical measuring device of the present invention, the periodic signal generating means has a period having a period of ½ or less of the duration of the output signal output from the light detecting means when one photoelectron is emitted. A signal may be generated.
[0013]
By making the periodic signal smaller than ½ of the duration of the output signal when one photoelectron is emitted, the detection probability of a plurality of photoelectrons emitted with a short time interval is further increased.
[0014]
In the optical measurement apparatus of the present invention, the A / D conversion means has a channel width substantially equal to the maximum value of the output signal output from the light detection means when one photoelectron is emitted. It may be a feature.
[0015]
By making the channel width of the A / D conversion means approximately equal to the maximum value of the output signal, the number of emitted photoelectrons can be directly used as the output value of the A / D conversion means.
[0016]
In the optical measurement apparatus of the present invention, the A / D conversion means has a channel width smaller than the maximum value of the output signal output from the photon detection means when one photoelectron is emitted. It may be a feature.
[0017]
By making the channel width of the A / D conversion means smaller than the maximum value of the output signal, the number of emitted photoelectrons can be detected with high accuracy.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An optical measurement apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the optical measurement device according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of an optical measurement device according to the present embodiment.
[0019]
The optical measurement apparatus 10 according to the present embodiment includes a photon detector 12 (photon detector), a timing signal generator 14 (periodic signal generator), an A / D converter 16 (A / D converter), and an adder 18. (Adding means), a CPU 20 (counting means), a display unit 22 and a memory 23 are provided. Hereinafter, each component will be described in detail.
[0020]
The photon detection unit 12 includes a hybrid photodetector (hereinafter referred to as HPD 24) and a transimpedance amplifier (hereinafter referred to as TZ amplifier 26), and corresponds to the number of incident photons (corresponding to the amount of input light flux). Output the output signal.
[0021]
The HPD 24 is an avalanche photodiode (hereinafter referred to as an APD 24b) that is a semiconductor detector that outputs a photoelectron 24a that emits photoelectrons according to the number of incident photons and an output signal according to the number of photoelectrons emitted from the photocathode 24a. ) Are arranged opposite to each other in the vacuum casing 24c. Here, a negative high voltage (e.g., -8 kV) is applied to the photocathode 24a by a high voltage power supply 24d (acceleration means), and a reverse bias voltage (e.g., between the anode and the cathode of the APD 24b is provided by a bias circuit 24e). + 150V) is applied. Further, the HPD 24 is provided with an electron lens unit (not shown) so that photoelectrons emitted from the photocathode 24a can be efficiently incident on the APD 24b.
[0022]
Hereinafter, in order to simplify the description, it is assumed that the quantum efficiency (photon-to-photoelectron conversion efficiency) of the photocathode 24a is 100%, and that one photon is emitted from the photocathode 24a when one photon is incident. To do.
[0023]
When photons are incident on the photocathode 24a, photoelectrons corresponding to the number of incident photons are emitted from the photocathode 24a. Such photoelectrons are accelerated by the action of the electric field, converged by the action of the electron lens unit, and enter the APD 24b. When the photoelectron incident on the APD 24b loses its energy, a large number of hole-electron pairs are generated, and this becomes the first multiplication factor. The multiplication factor in the first stage depends on the electron acceleration voltage (voltage applied to the photocathode), and is about 1200 when the voltage is −8 kV. Thereafter, the electrons are further avalanche multiplied by about 50 times. As a result, a gain of about 60000 times is obtained in the entire APD 24b. Here, the multiplication factor of the HPD 24 using the APD 24b is extremely small because the multiplication factor of the first stage is as extremely large as about 1200. Therefore, by using the HPD 24, as can be seen from the output wave height distribution diagram for multiphotons shown in FIG. 2, it is possible to distinguish and detect the number of incident photons. Here, FIG. 2 shows the results of measurement using a pre-amplifier of model number 142A manufactured by Oltech, with the applied voltage of the photocathode 24a being −8 kV and the reverse bias voltage of the APD 24b being + 150V. Considering that the gain of the HPD 24 is about 60000 and that the half width (FWHM) of the output waveform corresponding to one electron from the HPD 24 is about 6 ns, the peak value of the current output from the HPD 24 is This is about 2.0 μA per photon.
[0024]
The TZ amplifier 26 is a current-voltage conversion circuit that amplifies the current signal output from the APD 24b of the HPD 24, converts the current signal into a voltage, and outputs the voltage. The TZ amplifier 26 has an amplification factor for amplifying 1 μA to about 50 mV, and preferably has a band of about 300 MHz. For example, AU-1494-300 (trade name) manufactured by Miteq is suitable.
[0025]
Here, due to the amplification factor, the peak value Vo of the voltage output from the TZ amplifier 26 is about 0.1 V per photon. The waveform of the output signal output from the TZ amplifier 26 depends on the response waveform of the APD 24b. Here, for example, when an APD 24b having an effective diameter of 3 mm is used, the output signal has a waveform with a rise time of 1 ns and a fall time of 13 ns. That is, when one photon is incident, the duration To of the output signal output from the TZ amplifier 26 is 14 ns.
[0026]
The timing signal generation circuit 14 has a period Ts smaller than the duration To of the output signal output from the TZ amplifier 26 when one photon is incident on the HPD 24 and one photoelectron is emitted from the photocathode 24a. A timing signal that is a periodic signal is generated. More specifically, the output signal output from the TZ amplifier 26 when one photon is incident has a waveform as shown in FIG. 3A, and its duration To is 14 ns. Here, as shown in FIG. 3B, the timing signal generation circuit 14 generates a timing signal which is a pulse signal having a period Ts of 3.5 ns (1/4 of the duration time To). Further, the timing signal generation circuit 14 outputs the generated timing signal to the A / D converter 16.
[0027]
The A / D converter 16 A / D converts the output signal output from the TZ amplifier 26 using the timing signal from the timing signal generation circuit 14 as a trigger. Here, the A / D converter 16 has a channel width substantially equal to the maximum value Vo (0.1 V) of the output signal output from the TZ amplifier 26 when one photon is incident and one photoelectron is emitted. The resolution is adjusted to have Vc. That is, the input range (0 to 0.4V) is divided into four gradations, and when the input voltage is 0.05V or less, the digital value is "0", 0.05V to 0.15V (channel width 0.1V). When the input voltage is 0.15V to 0.25V (channel width 0.1V), the digital value is "2" and the input voltage is 0.25V to 0.35V (channel width 0.1V). ), The digital value “3” is output. By adjusting the resolution in this way, when the photon is not incident on the HPD 24, the digital value is “0”, when one photon is incident on the HPD 24, the digital value is “1”, and when two photons are incident. When the digital value “2” and three photons are incident, the digital value “3” is output from the A / D converter 16, respectively.
[0028]
The adder 18 adds the output signals output from the A / D converter 16 and outputs the added value m to the CPU 20.
[0029]
The CPU 20 counts the number of photons incident on the HPD 24 based on the addition value m output from the adder. More specifically, the photon number q is a ratio s (= To / Ts) between the duration To of the output signal and the period Ts of the timing signal, and a ratio between the maximum value Vo of the output signal and the channel width Vc. r (= Vo / Vc), using the above added value m,
[Expression 2]

It is expressed. Here, k represents the time when the output signal becomes Vo / 2 or more with respect to the duration time To. For example, when the output signal is a triangular wave, k = 0.5, a waveform that decreases exponentially. In this case, k = 0.31. The CPU 20 also controls the entire apparatus.
[0030]
The display unit 22 displays the photon count result and the like, and the memory 23 stores various set values, the photon count result, and the like.
[0031]
Next, the operation and action of the optical measurement device according to this embodiment will be described. Here, for the sake of simplicity, the output signal output from the TZ amplifier 26 when one photon is incident on the HPD 24 has a rise time of 0 ns, a fall time of 14 ns, a duration To of 14 ns, and a maximum value Vo of 0.1 V. Think of it as a triangular wave.
[0032]
First, as shown in FIG. 4A, when one photon is incident on the HPD 24, the output signal from the TZ amplifier 26 becomes a triangular wave as shown in FIG. 4B. Note that TH1, TH2, and TH3 on the vertical axis in FIG. 4B are threshold values for the A / D converter 16 to output digital values “1”, “2”, and “3”, respectively. They are 0.05V, 0.15V, and 0.25V, respectively.
[0033]
The output signal output from the TZ amplifier 26 is A / D converted by the A / D converter 16 and added by the adder 18. Here, the output signal (output value and output timing) from the A / D converter 16 depends on the phase relationship between the output signal output from the TZ amplifier 26 and the timing signal output from the timing signal generation circuit 14, for example. It changes like Case 1 or Case 2 in FIG. However, the added value m added by the adder 18 is 2 in either case 1 or case 2.
[0034]
The added value output from the adder 18 is input to the CPU 20, and the number of incident photons is counted by the CPU 20. In this case, since k = 0.5, s (= To / Ts) = 4, and r (= Vo / Vc) = 1, it is detected from Equation (2) that the number of incident photons q is 1. Is done.
[0035]
As shown in FIG. 5A, when two photons are simultaneously incident on the HPD 24, the output signal from the TZ amplifier 26 becomes a triangular wave (maximum value 0.2V) as shown in FIG. An output signal from the A / D converter 16 is, for example, Case 1 or Case 2 in FIG. However, the added value m added by the adder 18 is 4 in either case 1 or case 2. In this case, from the equation (2), the CPU 20 detects that the number of incident photons q is 2.
[0036]
Further, as shown in FIG. 6A, when four photons are incident on the HPD 24 with a time interval very close to each other, the output signal from the TZ amplifier 26 has a certain time delay as shown in FIG. The output signal from the A / D converter 16 is, for example, Case 1 or Case 2 in FIG. 6C. Here, when the output signal from the A / D converter 16 is Case 1, the addition value m added by the adder 18 is 7, and when Case 2 is 10, the added value m is 10. Accordingly, the number of photons q counted by the CPU 20 is 3.5 in

Case

1 and 5 in Case 2 (true value is 4).
[0037]
Here, the photon counting error in the optical measurement device 10 according to the present embodiment is evaluated. First, an error caused by A / D conversion (hereinafter referred to as A / D conversion error σ1) is obtained by using a ratio r (= Vo / Vc) between the maximum value Vo of the output signal and the channel width Vc.
[Equation 3]

It is expressed. Assuming that the output signal is a triangular wave, the counting error σ when q photons are incident is the ratio s (= To / Ts) between the duration To of the output signal and the period Ts of the timing signal, and Using the A / D conversion error σ1,
[Expression 4]

It is expressed.
[0038]
For example, FIG. 7 shows the counting error σ when the number of incident photons q is 10,000 and s and r are changed variously. When the number q of incident photons is 10,000, the quantum fluctuation of the number of photons is 100 (square root of 10,000), and the error due to the quantum fluctuation is 0.01 (= 100/10000). On the other hand, in the optical measuring device 10 according to the present embodiment, as shown in FIG. 7, when s and r are in the range of 1 or more, the counting error σ is an error due to the quantum fluctuation of the number of photons. It can be seen that it is sufficiently smaller than 01 (= 100/10000). This means that the required measurement accuracy can be obtained by the optical measurement device 10. In addition, the optical measurement apparatus 10 according to the present embodiment can further reduce the counting error σ by increasing s and r.
[0039]
Furthermore, the dynamic range of the optical measurement device 10 according to the present embodiment is evaluated. In general, the dynamic range of an optical measurement device can convert A / D converters up to the number of photons incident in a predetermined time (approximately within the pulse pair resolution), ie, the gradation of the A / D converter. Or). Here, the relationship between the true count rate n and the counting-down rate ξ when the pulse pair resolution τ is 10 ns is shown in FIG. In FIG. 8, “conventional” indicates a relationship with a conventional optical measuring device that always compares the output of the photomultiplier tube with a reference value and counts the number of times the reference value is exceeded. , “D = 4” is an optical measurement device according to the present embodiment, which is related to the case where s = 4 and the gradation d = 4 (2 bits) of the A / D converter. Yes, “d = 8” is the relationship between the optical measurement apparatus according to the present embodiment, in which s = 4 and the gradation d = 8 (3 bits) of the A / D converter. It is.
[0040]
Here, in order to set the count drop rate ξ to 5% or less, in the “conventional” optical measuring device, the true count rate n is set to 4 × 10. ⁶ (1 / s) must be suppressed, that is, the dynamic range is 4 × 10 ⁶ It becomes about (1 / s). On the other hand, the dynamic ranges of the optical measurement device 10 according to the present embodiment with “d = 4” and “d = 8” are 1 × 10 respectively. ⁸ (1 / s) degree, 3 × 10 ⁸ It becomes about (1 / s), and it becomes possible to secure a very wide dynamic range (2 digits larger than the “conventional type”).
[0041]
In the actual measurement, when it is known in advance that the number of photons exceeding the conversion capability of the A / D converter 16 is incident, or as a result of the measurement, the number exceeding the conversion capability of the A / D converter 16 In order to widen the dynamic range, it is effective to lower the gain of the TZ amplifier 26. In this case, since the ratio r (= Vo / Vc) between the maximum value Vo of the output signal and the channel width Vc becomes small, the counting error becomes large as shown in FIG. Therefore, the dynamic range of the optical measurement device 10 can be increased to the limit where the performance is ensured. Here, in the HPD 24, the linearity is ensured up to an output current of 100 μA or more. ^Ten The dynamic range of the optical measurement device 10 can be expanded to about (1 / s).
[0042]
Furthermore, when the number of incident photons exceeds the upper limit of the dynamic range of the optical measuring device 10, it is also effective to lower the gain of the HPD 24 in order to perform highly accurate counting. The gain of the HPD 24 can be adjusted between 10 and 60000 by the voltage applied to the photocathode 24a and the reverse bias voltage applied to the APD 24b. Further, the gain of the TZ amplifier 26 and the gain of the HPD 24 may be controlled from the CPU 20.
[0043]
Then, the effect of the optical measuring device 10 concerning this embodiment is demonstrated. The optical measurement device 10 according to the present embodiment emits photoelectrons corresponding to the number of incident photons, outputs an output signal corresponding to the number of photoelectrons from the photon detection unit 12, and outputs the output signal to the A / D converter 16. By performing A / D conversion by the A / D converter 16, an output signal corresponding to the number of emitted photoelectrons, that is, the number of incident photons can be output from the A / D converter 16. Therefore, even when a plurality of photons are incident at the same time, counting can be performed assuming that a plurality of photons are incident. Also, A / D conversion is performed with a period smaller than the duration To of the output signal when one photon is incident and one photoelectron is emitted, and based on the added value m of the A / D converted output signal. Thus, counting the number of photons q increases the detection probability of the number of photons incident with a time interval shorter than the duration To of the output signal when one photon is incident. As a result, even when a plurality of photons are incident at the same time or when a plurality of photons are incident with a short time interval, the number of incident photons can be accurately counted. Therefore, it is possible to accurately count photons when one event contains two or more photons, such as fluorescence repeatedly excited by a pulse laser, and the number of photons contained in fluorescence per pulse. It is also possible to count these. Further, even when a plurality of photons are incident with a short time interval, it is possible to accurately count the number of incident photons, so that the TZ amplifier 26 and the A / D converter 16 can respond quickly. Therefore, the optical measuring device 10 itself can be configured at low cost.
[0044]
In addition, the optical measurement device 10 according to the present embodiment can effectively detect the number of photons incident at the same time or at an extremely close time interval by using the HPD 24.
[0045]
Further, the optical measuring device 10 according to the present embodiment uses the period of the timing signal generated by the timing signal generation circuit 14 as the duration To of the output signal when one photon is incident and one photoelectron is emitted. By setting it to 1/4, it is possible to increase the detection probability of the number of photons incident with a short time interval.
[0046]
Further, the optical measurement apparatus 10 according to the present embodiment makes the channel width of the A / D converter 16 substantially equal to the maximum value Vo of the output signal, so that the number of incident photons can be directly output from the A / D converter 16. Can be a value.
[0047]
In the optical measurement device 10 according to the above embodiment, the cycle of the timing signal generated by the timing signal generation circuit 14 is set to ¼ of the duration To of the output signal when one photon is incident. 2, 1/8, etc. If the period of the timing signal is reduced, the photon counting accuracy is increased. On the other hand, if the period of the timing signal is increased, the processing load on the A / D converter 16, the adder 18, the CPU 20, and the like is reduced.
[0048]
In the optical measuring device 10 according to the above embodiment, the channel width of the A / D converter 16 is substantially equal to the maximum value Vo of the output signal. However, the channel width is set to be larger than the maximum value Vo of the force signal. It may be small. By making the channel width of the A / D converter 16 smaller than the maximum value Vo of the output signal, it is possible to accurately detect the number of incident photons.
[0049]
In the optical measurement device 10 according to the above embodiment, the APD 24b is used as the semiconductor detector. However, this may be a photodiode or the like.
[0050]
【The invention's effect】
The optical measurement device of the present invention emits photoelectrons corresponding to the amount of incident light flux, outputs an output signal corresponding to the number of photoelectrons from the photon detection means, and the output signal is A / D converted by the A / D conversion means. By converting, it becomes possible to output an output signal corresponding to the number of emitted photoelectrons from the A / D conversion means. Therefore, even when a plurality of photoelectrons are emitted at the same time, counting can be performed assuming that a plurality of photoelectrons are emitted. In addition, by performing A / D conversion with a period smaller than the duration of the output signal when one photoelectron is emitted, and counting the number of photoelectrons based on the added value of the output signal subjected to A / D conversion, The detection probability of a plurality of photoelectrons emitted with a time interval shorter than the duration of the output signal when one photoelectron is emitted is increased. As a result, the number of photoelectrons emitted is accurately counted even when the amount of incident light is large and multiple photoelectrons are emitted at the same time or when multiple photoelectrons are emitted with a short time interval. It is possible to accurately measure the amount of incident light flux.
[0051]
In the optical measuring device of the present invention, a photocathode that emits photoelectrons corresponding to the amount of incident light flux, an acceleration means that accelerates photoelectrons emitted from the photocathode, and a photoelectron accelerated by the acceleration means is incident. By using a photon detection means including a semiconductor detector that outputs an output signal corresponding to the number of photoelectrons, it is possible to effectively detect the number of photoelectrons emitted simultaneously or at a very close time interval. it can.
[0052]
In addition, the optical measurement device of the present invention makes a short time interval by making the periodic signal generated by the periodic signal generating means smaller than 1/2 of the duration of the output signal when one photoelectron is emitted. It is possible to increase the detection probability of the number of photoelectrons emitted.
[0053]
In the optical measuring device of the present invention, the channel width of the A / D conversion means is made substantially equal to the maximum value of the output signal, so that the number of emitted photoelectrons is directly used as the output value of the A / D conversion means. Is possible.
[0054]
In the optical measuring device of the present invention, the number of photoelectrons emitted can be detected with high accuracy by making the channel width of the A / D conversion means smaller than the maximum value of the output signal.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical measurement device.
FIG. 2 is an output wave height distribution map.
FIG. 3 is a diagram illustrating waveforms of an output signal and a timing signal.
FIG. 4 is a diagram illustrating an output of an A / D converter.
FIG. 5 is a diagram showing an output of an A / D converter.
FIG. 6 is a diagram illustrating an output of an A / D converter.
FIG. 7 is a graph showing a counting error.
FIG. 8 is a graph showing a counting-down rate.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Optical measuring device, 12 ... Photon detection part, 14 ... Timing signal generation circuit, 16 ... A / D converter, 18 ... Adder, 20 ... CPU, 22 ... Display part, 23 ... Memory, 24 ... HPD, 26 ... TZ amplifier

Claims

Photodetection means for emitting photoelectrons according to the amount of incident light flux and outputting an output signal according to the number of photoelectrons;
Periodic signal generating means for generating a periodic signal having a period smaller than the duration of the output signal output from the light detecting means when one photoelectron is emitted;
A / D conversion means for A / D converting the output signal output from the light detection means based on the periodic signal generated by the periodic signal generation means;
Adding means for adding the output signals A / D converted by the A / D conversion means;
The added value m of the output signal of the A / D conversion means added by the adding means, the duration To of the output signal output from the light detection means when one photoelectron is emitted, and the periodic signal generation The ratio s = To / Ts of the periodic signal period Ts of the means , the maximum value Vo of the output signal output from the light detection means when one photoelectron is emitted, and the channel width Vc of the A / D conversion means R = Vo / Vc, and when one photoelectron is emitted, the output signal output from the photodetection means is Vo / 2 or more with respect to the duration To of the output signal of the photodetection means The following formula q = m / (k × s × r)
An optical measuring device comprising: a light quantity calculating means for counting the number of photons q incident on the light detecting means using a light and calculating a light quantity of a light beam incident on the light detecting means.

The light detection means includes
A vacuum-tight container,
A photocathode arranged in the container and emitting photoelectrons according to the amount of incident light flux;
Accelerating means for accelerating the photoelectrons emitted from the photocathode;
2. The semiconductor detector according to claim 1, further comprising: a semiconductor detector that is disposed in the container and that makes the photoelectrons accelerated by the accelerating means incident and outputs an output signal corresponding to the number of photoelectrons. Optical measuring device.

The optical measurement apparatus according to claim 2, wherein the semiconductor detector is an avalanche photodiode.

The periodic signal generation means generates a periodic signal having a period of 1/2 or less of a duration of an output signal output from the light detection means when one photoelectron is emitted. The optical measurement device according to any one of 1 to 3.

The A / D conversion means has a channel width substantially equal to a maximum value of an output signal output from the light detection means when one photoelectron is emitted. The optical measuring device according to item 1.

5. The A / D conversion unit has a channel width smaller than a maximum value of an output signal output from the photon detection unit when one photoelectron is emitted. The optical measuring device according to item 1.